Transcript 第七章传输层
计算机网络 Computer Network 2015年4月9日 课程目录 第1章 概述 第2章 物理层与数据通信基础 第3章 数据链路层 第4章 局域网 第5章 网络层 第6章 网络互联技术 第7章 传输层 第8章 应用层 第9章 网络管理与信息安全 第10章 网络新技术专题 计算机网络--刘桂江 2/87 第7章 传输层 7.1 传输层概述 7.2 互联网传输协议 计算机网络--刘桂江 3/87 7.1 传输层概述 7.1.1 提供给高层的服务 7.1.2 服务质量 7.1.3 多路复用技术 计算机网络--刘桂江 4/87 7.1.1 提供给高层的服务 主机 A 主机 B 传输服务用户 （应用层实体） 传输层服务访问点 TSAP 完成传输层功能 的硬件或软件 传输实体 网络层服务访问点 NSAP 应用层 传输服务用户 （应用层实体） 层接口 传输协议 传输实体 网络层 传输层 层接口 传输层与其上下层之间的关系 • 传输层向高层提供两种类型的服务：面向连接的传输服务和无连接的 传输服务。 计算机网络--刘桂江 5/87 7.1.2 服务质量 传输层服务质量是指在两节点之间表现出来的某些传输连 接的特征，是传输层性能的度量，反映了传输质量及服务 的可用性。 连接建立延迟 连接建立失败概率 传输层服务质量参数表 吞吐量 传输延迟 传输层服务质量不是由单方面决定 的，一般它需要连接的双方有一个 协商的过程。 计算机网络--刘桂江 残留差错率 保护性 优先权 回弹率 6/87 7.1.3 多路复用技术 TSAP 应用层 应用层 NSAP 传输层 传输层 网络层 网络层 至路由器 （a）向上多路复用 至路由器 （b）向下多路复用 向上复用的使用往往是出于费用上的考虑；向下复用的目的 是为了提高吞吐量。 计算机网络--刘桂江 7/87 7.2 互联网传输协议 7.2.1 TCP简介 7.2.2 TCP服务模型 7.2.3 TCP协议 7.2.4 TCP报文段头 7.2.5 TCP连接管理 7.2.6 TCP传输策略 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制 7.2.8 TCP计时器 7.2.9 UDP协议简介 计算机网络--刘桂江 8/87 7.2.1 TCP简介 TCP（传输控制协议）是TCP/IP体系中面向连接的 传输层协议，它提供全双工的服务。 TCP提供差错控制和排序的功能，提供可靠的端到端 字节流的传输服务。 计算机网络--刘桂江 9/87 7.2.2 TCP服务模型(1 /5) TCP是使用连接来进行通信的。当一个应用进程希望与另一 个远程的应用进程建立连接的时候，除了要知道对方的主机 地址外，它还必须知道要连接到对方哪个应用进程上，从而 实现端到端的通信。 AP1 5 应用进程 AP2 端口 应用进程 传输层提供应用进程间的逻辑通信 4 3 端口 AP3 AP4 5 4 IP 层 3 2 2 1 1 传输层提供端到端的服务 计算机网络--刘桂江 10/87 7.2.2 TCP服务模型(2 /5) 在传输层上通常使用的方法是为那些能够监听连接请求的进 程定义TSAP；在Internet中，这些访问点就被称为端口。同 样，在网络层上的访问点被称为NSAP。IP地址就是NSAP的 特例。 NSAP、 TSAP和传输 连接之间的关 系 计算机网络--刘桂江 11/87 7.2.2 TCP服务模型(3 /5) 客户机上的应用进程如何知道服务器上的服务器进程是被 关联到某个特定端口上的呢？ 常用的方法有两种： （1）对于一些少数且关键的服务器进程（例如Web服务 器），它们被连接请求的频率高，而且一旦连接上以后维 持的时间一般也比较长，则将这些典型服务器进程与熟知 的TSAP永久地关联起来。且这些关键服务进程和对应的 熟知TSAP往往被罗列在某个文件中。 （2）采用名字服务器或目录服务器。 计算机网络--刘桂江 12/87 7.2.2 TCP服务模型(4/5) 套接字(socket) 为了区分不同主机中的进程，TCP/IP协议簇将主机的IP 地址与端口结合起来，定义为通信的一个端点，称之为 套接字。 套接字、端口和IP地址的关系是： IP 地址 128.10.2.3 套接字 128.10.2.3 计算机网络--刘桂江 端口号（16位） 25 25 13/87 7.2.2 TCP服务模型(5 /5) 三类端口 （1）熟知端口，其数值为0～1023。这一类端口由 ICANN负责分配给一些常用的应用层程序固定使用。 （2）登记端口，其数值为1024～49151。这类端口是 ICANN控制的，使用这个范围的端口必须在ICANN登记 ，以防止重复。 （3）动态端口，其数值为49152～65535。这类端口 是留给客户进程选择作为临时端口。 计算机网络--刘桂江 14/87 7.2.3 TCP协议 在TCP协议中需要关注的几个问题： （1）TCP连接上的每个字节都是有编号的，即都有它 自己独有的32位序列号。 （2）TCP报文段的结构 （3）滑动窗口协议 （4）错序问题 计算机网络--刘桂江 15/87 7.2.4 TCP报文段头 一个TCP报文段分为首部和数据两部分。TCP首部 由固定首部和可选的附加选项组成。 TCP数据部分理论上长度最多可达65495个字节。 无任何数据的TCP报文段也是合法的，它通常被用 于确认或控制消息。 TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。 计算机网络--刘桂江 16/87 32 bit 比特0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 确 认 TCP 首部 数据 偏移 序 20 字节的 固定首部 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 保 留 窗 口 大 小 检 验 和 附 加 选 TCP 报文段 项 紧 急 指 针 （长 度 可 变） TCP 首部 填 充 TCP 数据部分 发送在前 IP 首部 IP 数据部分 TCP报文段首部结构图 计算机网络--刘桂江 17/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 源端口和目的端口——各占2个字节。端口是传输层与应用 层的服务接口，它们分别与源IP地址和目的IP地址一起标 识一个TCP连接的两个端点，传输层的复用和分用功能都 要通过端口才能实现。 计算机网络--刘桂江 18/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 序号字段——占 4 字节。TCP 连接中传送的数据流中的 每一个字节都编上一个序号。序号字段的值则指的是本报 文段所发送的数据的第一个字节的序号。 计算机网络--刘桂江 19/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 确认序号字段——占 4 字节，是期望收到对方的下一个报 文段的数据的第一个字节的序号。 计算机网络--刘桂江 20/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 数据偏移——占4bit，它指出 TCP 报文段的数据起始处距离 TCP 报文段的起始处有多远。“数据偏移”的单位不是字节而 是 32 bit字（即4字节为计算单位）。 计算机网络--刘桂江 21/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 保留字段——占 6 bit，保留为今后使用，但目前都置为 0。 计算机网络--刘桂江 22/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 紧急比特 URG ——紧急标志位。当 URG 1 时，表明紧 急指针字段有效。它告诉系统此报文段中有紧急数据，应尽 快传送(相当于高优先级的数据)。 计算机网络--刘桂江 23/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 确认比特 ACK ——确认标志位。当ACK=1时表明报文段中 确认序号字段有效，这时可以理解当前发送的报文段为确 认报文；当ACK=0时表明确认序号字段无效。 计算机网络--刘桂江 24/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 推送PSH (Push) —— 接收 TCP 收到推送比特置 1 的报文 段，就尽快地交付给接收应用进程，而不再等到整个缓存都填 满了后再向上交付。 计算机网络--刘桂江 25/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 复位RST (Reset) ——复位标志。当RST=1时表明TCP连接中出现 严重差错（例如主机崩溃），这时必须释放当前连接然后再重新 建立一个新的传输连接。另外RST置1还可以用来拒绝接收一个非 法报文段，或拒绝建立一个连接。 计算机网络--刘桂江 26/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 同步SYN ——建立连接标志。建立连接过程中，在客户端发出请 求建立连接的报文段中：SYN=1，ACK=0；在服务器端表示接收建 立连接的报文段中：SYN=1，ACK=1；所以可用SYN来区分与建立连 接有关的报文段，而用ACK进一步区分是连接请求还是连接接收。 计算机网络--刘桂江 27/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 终止FIN (Final) ——释放连接标志。当FIN=1时表示此报文段 的发送方的数据发送已经结束，并要求释放传输连接。注意这 是个单方面请求释放连接，即仍然还允许对方发送数据过来。 计算机网络--刘桂江 28/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 窗口大小字段 —— 占 2 字节。窗口字段用来控制对方发送 的数据量，单位为字节。TCP 连接的一端根据设置的缓存空 间大小确定自己的接收窗口大小，然后通知对方以确定对方 的发送窗口的上限。 计算机网络--刘桂江 29/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 检验和——占2字节。检验和字段检验的范围包括首部和数 据这两部分。在计算检验和时，要在 TCP 报文段的前面加 上 12 字节的伪首部。 计算机网络--刘桂江 30/87 在计算检验和时，临时把“伪首部”和TCP报文段连接 在一起，得到一个临时的TCP报文段。检验和就针对这 个临时的TCP报文段来计算的。伪首部既不向下传送也 不向上递交，而仅仅是为了计算检验和。 32 bit 源 IP 地址 目的 IP 地址 全0 6 TCP长度 TCP报文段伪首部结构图 计算机网络--刘桂江 31/87 TCP计算检验和的具体方法： 在发送方，首先是把全零放入检验和字段，再把伪首部以 及TCP报文段看成是由许多16位的字串接起来。若TCP报 文段的数据部分长度不是4N（N为正整数）字节的整数 倍，则要填充全零字串在后面直至长度为4N字节。然后按 二进制反码计算出这些16位字的和，将此和的二进制反码 写入检验和字段后，发送该TCP报文段。 在接收方，把收到的TCP报文段增加伪首部（以及可能的 填充全零字节）一起，按二进制反码计算出这些16位字的 和。当无差错时其结果应为全1；否则就表明出现传输错 误，接收方应丢弃这个错误的TCP报文段（当然也可以上 交给应用层，但附上出现了差错的警告）。 计算机网络--刘桂江 32/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 紧急指针字段 —— 占 16 bit。紧急指针指出在本报文段中， 紧急数据一共有多少个字节。它和紧急标志位URG配合使用。 计算机网络--刘桂江 33/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 附加选项字段 —— 长度可变。TCP 只规定了一种选项，即最大报文段长度 MSS (Maximum Segment Size)。MSS 告诉对方 TCP：“我的缓存所能接收的报文 段的数据字段的最大长度是 MSS 个字节。” 附加选项是可选的，如果主机没有使用这个选项，则缺省使用MSS的默认值是536。 另外，一个连接两个方向上的最大数据段长度MSS可以不相同。 计算机网络--刘桂江 34/87 比特 0 8 16 24 源 端 口 31 目 的 端 口 序 号 TCP 首部 确 数据 偏移 保 留 认 序 号 U A P R S F R C S S Y I G K H T N N 检 验 和 附 加 选 项 20 字节 固定 首部 窗 口 大 小 紧 急 指 针 （长 度 可 变） 填 充 填充字段 —— 这是为了使整个首部长度是 4 字节的整 数倍。 计算机网络--刘桂江 35/87 7.2.5 TCP连接管理(1 /8) 1．建立TCP连接 TCP协议中使用三次握手方法建立连接。 主机 A 主机 B 主动打开 被动打开 SYN=1，seq=x 连接请求 ACK=0 SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1 确认 时间 确认 ACK=1，seq=x+1，ack=y1 三次握手法 1、防止可能发生的死锁 2、防止已失效的连接再 次传到被连接的主机 时间 为何不用两次握手方法建立连接？ 计算机网络--刘桂江 36/87 7.2.5 TCP连接管理(2 /8) 2．释放TCP连接 释放连接有两种方式：非对称释放和对称释放。 （1）非对称释放 主机 A 主机 B 连接建立 发送第一 个数据 发送第二 个数据 DATA 1 ACK 发送确认 DATA 2 撤消连接 在一方断开连接后不再 时间 接收数据，数据丢失 该方法较为粗 暴，可能会导 致数据丢失。 时间 计算机网络--刘桂江 37/87 7.2.5 TCP连接管理(3 /8) （2）对称释放方法 主机 A 释放请求即 A不再发送 数据 主机 B FIN=1，seq=x ACK=1，seq=y，ack=x+1 半关闭状态 FIN=1，seq=y+1，ack=x+1 发送确认 ACK=1，seq=x+1，ack=y 2 通知主机 进程并发 送确认 释放请求即 B也不再发 送数据 关闭状态 时间 时间 计算机网络--刘桂江 38/87 7.2.5 TCP连接管理(4 /8) 不过，对称释放协议并不总是可以正确地工作。它存在两 军队问题。 两军队问题 用“断开连接”来代替军队的“发起进攻” 。如果任何一方一定要在确定 另一方已经做好了断开连接的准备之后才准备断开连接的话，那么，断开 连接的操作将永远都不可能发生。 计算机网络--刘桂江 39/87 7.2.5 TCP连接管理(5 /8) *3．有限状态机 建立连接和释放连接所要求的步骤可以用一个 有限状态机来表达。该状态机有11种状态，在每 一种状态中，都存在一些合法的事件。当合法事 件发生的时候，可能需要采取某个动作；当其他 事件发生的时候，则报告一个错误。 计算机网络--刘桂江 40/87 7.2.5 TCP连接管理(6 /8) 状态 说明 没有活动的连接，或者未完成的连接 LISTEN 服务器正在等待进来的连接请求 SYN_RCVD 一个连接请求已经到达；等待ACK SYN_SENT 应用程序已经开始打开连接 ESTABLISHED 正常的数据传输状态 FIN_WAIT_1 一方请求释放连接 FIN_WAIT_2 另一方已经同意释放连接 TIME_WAIT 等待所有的分组逐渐消失 CLOSING 双方试图同时关闭连接 CLOSE_WAIT 另一方已经发起了释放连接的过程 LAST_ACK 等待所有的分组逐渐消失 计算机网络--刘桂江 TCP CLOSED 有 限 状 态 机 中 存 在 的 状 态 41/87 7.2.5 TCP连接管理(7/8) 每个连接都从CLOSED状态开始。当它执行了一 个被动的打开操作（LISTEN），或者一个主动的打 开操作（CONNECT）的时候，它就离开CLOSED状 态。如果另一端执行了相对应的操作，则连接被建 立起来，当前状态变成ESTABLISHED；连接的释放 过程可以由任何一方发起，当释放完成的时候，状 态又回到了CLOSED。 计算机网络--刘桂江 42/87 CLOSED 被动打开 关闭 收到 SYN 发送 SYN, ACK LISTEN 被动打开 收到 RST 发送 SYN 收到 SYN，发送 SYN, ACK 同时打开 收到 ACK SYN_RCVD 关闭 发送 FIN 主动关闭 收到 FIN 发送 ACK 同时关闭 CLOSING 收到 FIN, ACK 发送 ACK 收到 ACK FIN_WAIT_2 SYN_SENT 关闭 或超时 主动打开 收到 SYN, ACK 发送 ACK 数据传送 收到 FIN 阶段 发送 ACK ESTABLISHED 关闭 发送 FIN FIN_WAIT_1 主动打开 发送 SYN 被动关闭 CLOSE_WAIT 关闭 发送 FIN 收到 ACK TCP 的 有 限 状 态 机 LAST_ACK 收到 ACK 收到 FIN 发送 ACK TIME_WAIT 定时经过两倍报文段寿命后 计算机网络--刘桂江 43/87 7.2.6 TCP传输策略(1 /5) TCP 协议是面向字节流的。TCP 将所要传送的报文看成是字节组成 的数据流，并使每一个字节对应于一个序号。 在连接建立时，双方要商定初始序号。TCP 每次发送的报文段的首 部中的序号字段数值表示该报文段中的数据部分的第一个字节的序 号。 TCP 发送的确认报文段是对接收到的数据的最高序号表示确认。 接收端返回的确认序号是已收到的数据的最高序号加 1。也就是说， 确认序号表示接收端期望下次收到的数据中的第一个数据字节的序 号。 计算机网络--刘桂江 44/87 7.2.6 TCP传输策略(2 /5) TCP传输的可靠就是由于使用了序号和确认机制： 在TCP发送一个报文段时，它同时也在自己的重传队 列中存放一个副本，并启动一个计时器。若收到该报 文段的确认，则删除此副本；若在计时器超时之前没 有收到确认，则重传此报文段的副本。TCP的确认并 不保证数据已由应用层交付给了端用户，而只是表明 在接收方的TCP收到了发送方所发送的报文段。 计算机网络--刘桂江 45/87 7.2.6 TCP传输策略(3 /5) TCP的发送和确认机制 在发送方，TCP一般是根据以下三种基本机制来控制报文段的 发送时机。第一种机制是TCP维持一个变量，它等于接收方确 认报文段中的最大报文长度MSS，这个数值给出了接收方的最 大数据接收能力，因此只要发送方发送缓存从发送进程中得到 的数据已达到MSS字节时，就组装成一个TCP报文段，然后发送 出去。第二种机制是当发送方的应用进程指明要求发送一个报 文段时，即使用了TCP的推送（PUSH）操作，则TCP立即将这个 报文段单独发送出去。第三种机制是当发送方的一个计时器期 限到了，这说明某一个已发送出去的报文段在规定时限之内没 有收到确认，于是发送方就把该计时器所对应的报文段副本从 重传队列中取出再次发送出去。 计算机网络--刘桂江 46/87 7.2.6 TCP传输策略(4 /5) 在接收方，当接收方的接收缓存已经装满数据，就会返 回一个确认，并设置窗口（WIN）的值为0，这时发送 方是不能够再正常地发送数据段了。但这里有两种意外 情形允许发送方继续发送报文段。第一，紧急数据仍可 以发送，例如要中断远程机器上运行的某一个进程。第 二，发送方可以发送一个1字节的数据段，要求接收方 重申窗口大小及下一个准备接收的数据字节序号。这是 避免当一个返回窗口信息的确认丢失之后发生死锁的情 形。 计算机网络--刘桂江 47/87 7.2.6 TCP传输策略(5/5) Nagle算法 Clark算法（糊涂窗口综合症） Nagle算法和Clark算法针对糊涂窗口综合症的解决方 案是相互补充的。Nagle算法试图解决由于发送方每 次向TCP只传送一个字节而引起的问题；Clark算法则 试图解决由于接收方每次从TCP流中只读取一个字节 而引起的问题。这两种算法都是有效的，而且可以一 起工作。它们要达到的目标是：发送方不要发送太小 的数据段，接收方也不要请求太小的数据段。 计算机网络--刘桂江 48/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(1/14) 1．TCP流量控制 TCP 采用大小可变的滑动窗口进行流量控制。窗口大小的单位是 字节。 RecvWindow 网络来的数据 空闲缓冲区 缓冲的TCP数 据 用户进程 RecvBuffer 计算机网络--刘桂江 49/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(2/14) 在 TCP 报文段首部的窗口（WIN）字段写入的数值就是当前给对 方设置的发送窗口数值的上限。 发送窗口在连接建立时由双方商定。但在通信的过程中，接收端 可根据自己的资源情况，随时动态地调整对方的发送窗口上限值 (可增大或减小)。 计算机网络--刘桂江 50/87 设主机A和B的连接已经建立完毕，双方商定的初始窗口值是500。再设每 一个报文段的数据字段的长度为100字节，数据报文段序号的初始值为1。 主机 A 主机 B seq = 1,DATA A 还能发送 400 字节 seq = 101,DATA seq = 201,DATA A 还能发送 300 字节 丢失！ ACK = 1,ack = 201,win=300 seq = 301,DATA seq = 401,DATA seq = 201,DATA ACK =1,ack=501,win = 200 seq = 501,DATA ACK=1,ack = 601,win = 0 允许 A 再发送 300 字节（序号 201 至 500） A 还能发送 200 字节（序号 301 至 500） A 还能发送 100 字节（序号 401 至 500） A 超时重发，但不能发送序号 500 以后的数据 允许 A 再发送 200 字节（序号 501 至 700） A 还能发送 100 字节（序号 501 至 700） 不允许 A 再发送（到序号 600 的数据都已收到） 计算机网络--刘桂江 51/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(4/14) 2．TCP拥塞控制 发送端的主机在确定发送报文段的速率时，既要根据接收端的接收 能力，又要从全局考虑不要使网络发生拥塞。 因此，每一个 TCP 连接需要维护以下两个状态变量： 接收窗口 rwnd (receiver window) 又称为通知窗口 (advertised window)。 拥塞窗口 cwnd (congestion window)。 计算机网络--刘桂江 52/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(5/14) (1) 接收窗口 rwnd 这是接收端根据其目前的接收缓存大小所 许诺的最新的窗口值，是来自接收端的流量控制。接收端将此窗口 值放在 TCP 报文的首部中的窗口字段，传送给发送端。 (2) 拥塞窗口 cwnd (congestion window) 是发送端根据自己估 计的网络拥塞程度而设置的窗口值，是来自发送端的流量控制。 计算机网络--刘桂江 53/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(6/14) 发送窗口的上限值 发送端的发送窗口的上限值应当取为接收端窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定： 发送窗口的上限值 Min（rwnd, cwnd） 当 rwnd < cwnd 时，是接收端的接收能力限制发送窗口的最大值。 当 cwnd < rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。 计算机网络--刘桂江 54/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(7/14) 为了在传输层进行拥塞控制，1999年公布的互 联网建议标准[RFC 2581]定义了四种算法，即慢 开始（slow-start）、拥塞避免（congestion avoidance）、快重传（fast retransmit）和快 恢复（fast recovery）。 计算机网络--刘桂江 55/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(8/14) 慢开始算法的原理 在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段 MSS 的数值。 在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口增 加至多一个 MSS 的数值。 用这样的方法逐步增大发送端的拥塞窗口 cwnd，可以 使分组注入到网络的速率更加合理。 实际上，每一批被确认的报文段都会使拥塞窗口加倍。 拥塞窗口一直呈指数增长，直至发生超时，或者达到 接收窗口的大小。 计算机网络--刘桂江 56/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(9/14) 实际中慢开始算法往往还未出现超时就已停止使用，而 改用拥塞避免算法。因此TCP连接还需要设置另一个状态 参数，称之为慢开始门限ssthresh。它的用法如下： 当cwnd<ssthresh时，使用上述的慢开始算法； 当cwnd>ssthresh时，停止使用慢开始算法而改用拥塞 避免算法； 当cwnd=ssthresh时，或者使用慢开始算法，或者使用 拥塞避免算法。 计算机网络--刘桂江 57/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(10/14) 拥塞避免算法的原理 使发送方的拥塞窗口cwnd每经过一个往返时延RTT 就增加一个MSS的大小（而不管在时间RTT内收到了几 个ACK）。这样，拥塞窗口cwnd将是按线性规律缓慢 增长，比慢开始算法中拥塞窗口的增长速率要缓慢的 多了。 计算机网络--刘桂江 58/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(1/10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 当 TCP 连接进行初始化时，将拥塞窗口置为 1。图中的窗口单 位不使用字节而使用报文段。 慢开始门限的初始值设置为 16 个报文段，即 ssthresh = 16。 计算机网络--刘桂江 59/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(2 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 发送端的发送窗口不能超过拥塞窗口 cwnd 和接收端窗口 rwnd 中的最小值。我们假定接收端窗口足够大，因此现在发送窗口 的数值等于拥塞窗口的数值。 计算机网络--刘桂江 60/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(3 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 在执行慢开始算法时，拥塞窗口 cwnd 的初始值为 1，发送第一 个报文段 M0。 计算机网络--刘桂江 61/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(4 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 发送端收到 ACK1 （确认 M0，期望收到 M1）后，将 cwnd 从 1 增大到 2，于是发送端可以接着发送 M1 和 M2 两个报文段。 计算机网络--刘桂江 62/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(5 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 接收端发回 ACK2 和 ACK3。发送端每收到一个对新报文段的确 认 ACK，就把发送端的拥塞窗口加 1。现在发送端的 cwnd 从 2 增大到 4，并可发送 M4 ~ M6共 4个报文段。 计算机网络--刘桂江 63/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(6 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 发送端每收到一个对新报文段的确认 ACK，就把发送端的拥塞 窗口加 1，因此拥塞窗口 cwnd 随着传输次数按指数规律增长。 计算机网络--刘桂江 64/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(7 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 当拥塞窗口 cwnd 增长到慢开始门限值 ssthresh 时（即当 cwnd = 16 时），就改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性 规律增长。 计算机网络--刘桂江 65/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(8 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 假定拥塞窗口的数值增长到 24 时，网络出现超时（表明网络拥 塞了）。 计算机网络--刘桂江 66/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(9 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 更新后的 ssthresh 值变为 12（即发送窗口数值 24 的一半）， 拥塞窗口再重新设置为 1，并执行慢开始算法。 计算机网络--刘桂江 67/87 慢开始和拥塞避免算法的实现举例(10 /10) 拥塞窗口 cwnd 发生超时 线性规律增长 24 进入拥塞避免 20 进入拥塞避免 ssthresh = 16 16 12 8 4 更新后的 ssthresh = 12 指数规律增长 传输次数 0 0 2 慢开始 4 6 8 10 12 14 16 拥塞避免 慢开始 18 20 22 拥塞避免 当 cwnd = 12 时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按按线性 规律增长，每经过一个往返时延就增加一个 MSS 的大小。 计算机网络--刘桂江 68/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(11/14) 必须强调指出 “拥塞避免”并非指完全能够避免了拥塞。利 用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能 的。 “拥塞避免”是说在拥塞避免阶段把拥塞窗口 控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出 现拥塞。 计算机网络--刘桂江 69/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(12/14) 慢开始和拥塞避免算法是在TCP中最早 使用的拥塞控制算法。但后来人们发现 这种拥塞控制算法还需要改进，因为有 时一条TCP连接会因为等待重传计时器 的超时而空闲较长的时间。为此后来又 增加了两个新的拥塞控制算法，这就是 快重传和快恢复。 计算机网络--刘桂江 70/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(13/14) 快重传算法的原理 快重传算法规定，发送端只要一连收到三个重复的 ACK 即 可断定有分组丢失了，就应立即重传丢失的报文段而不必 继续等待为该报文段设置的重传计时器的超时。 不难看出，快重传并非取消重传计时器，而是在某些情况 下可更早地重传丢失的报文段。 计算机网络--刘桂江 71/87 快重传举例 主机 A M1, M2 ACK2, ACK3 M3 M4 ACK3 M5 ACK3 M6 ACK3 M3 主机 B A 发送 M1 和 M2 B 确认 M1 和 M2 丢失！ A 发送 M3 但丢失了 A 发送 M4 B 只能再次确认 M2(因为 M3 没有收到） A 发送 M5 B 发送第二个重复确认 ACK3 A 发送 M6 B 发送第三个重复确认 ACK3 A 收到了三个重复的确认 ACK3，就立即重传 M3，而不必等待超时重传。 计算机网络--刘桂江 72/87 7.2.7 TCP流量控制和拥塞控制(14/14) 快恢复算法的原理 (1) 当发送端收到连续三个重复的 ACK 时，就重新设置慢开始门限 ssthresh。 (2) 与慢开始不同之处是拥塞窗口 cwnd 不是设置为 1，而是设置为 ssthresh + 3 MSS。 (3) 若收到的重复的 ACK 为 n 个（n > 3），则将 cwnd 设置为 ssthresh + n MSS。 (4) 若发送窗口值还容许发送报文段，就按拥塞避免算法继续发送报 文段。 (5) 若收到了确认新的报文段的 ACK，就将 cwnd 缩小到 ssthresh。 计算机网络--刘桂江 73/87 7.2.8 TCP计时器(1 /8) TCP使用多个定时器来辅助其完成工作，其中最重 要的是重传定时器。 当TCP实体每发送一个TCP报文段的时候，它同时 也启动一个重传定时器：如果在定时器超时之前该报 文段被确认，则定时器被停止；否则重发该报文段， 并重新启动定时器。 计算机网络--刘桂江 74/87 7.2.8 TCP计时器(2 /8) 由于 TCP 的下层是一个互连网环境，IP 数据报所选择的路由变 化很大。因而传输层的往返时延的方差也很大。 往返时延的 概率分布 往返时延的 概率分布 往返时间 往返时间 T1 T 数据链路层中往返时延的概率密度 T2 TCP中往返时延的概率密度 计算机网络--刘桂江 75/87 7.2.8 TCP计时器(3 /8) TCP采用了一种自适应算法 记录每一个报文段发出的时间，以及收到相应的确认报文段的时间。 这两个时间之差就是报文段的往返时延。 将各个报文段的往返时延样本加权平均，就得出报文段的平均往返时 延 RTT。 每测量到一个新的往返时延样本，就按下式重新计算一次平均往返时 延 RTT： 平均往返时延RTT (旧的RTT) (1 ) (新的往返时延样本) 在上式中， 是修正因子，取值范围为：0≤ < 1。它决定RTT的历史 值在计算中所占的比例，一般取 =7/8。 计算机网络--刘桂江 76/87 7.2.8 TCP计时器(4 /8) 即使有了一个好的平均RTT值，要选择一个合适的超 时重传时间间隔仍然不是一件很容易的事情。 正常情况下，TCP使用β·RTT作为超时重传间隔，但难 点在于如何选择β。在历史上最初的实现中，总是取β 为2，但经验表明常数值是不够灵活的，因为当发生 变化时它不能够灵活地做出反应。 计算机网络--刘桂江 77/87 7.2.8 TCP计时器(5 /8) Jacobson算法 在1988年，Jacobson提出来让β与确认到达时间概率密度 函数的标准偏差成正比，即大的变化意味着大的β，反之亦 然。尤其是，他建议使用平均偏差作为标准偏差的粗略估 计。在他的算法中要求TCP实体维护一个被平滑的偏差变量 D，它为来回时间的测定值与估计值之间的偏差。当得到 RTT的最新估计值之后，用以下公式修正变量D： D = αD + (1-α)|RTT - M| 最后按以下公式设置超时重传时间间隔： timeout = RTT + 4×D 计算机网络--刘桂江 78/87 7.2.8 TCP计时器(6 /8) 往返时间的确认二义性 TCP 报文段 1 没有收到确认。重传（即报文段 2）后，收到了 确认报文段 ACK。 如何判定此确认报文段是对原来的报文段 1 的确认，还是对重 传的报文段 2 的确认？ 发送一个 TCP 报文段 1 超时重传 TCP 报文段 2 是对哪一个报文段 的确认？ 收到 ACK 时间 往返时延 RTT? 往返时延 RTT? 计算机网络--刘桂江 79/87 7.2.8 TCP计时器(7 /8) Karn 算法 在计算平均往返时延 RTT 时，只要报文段重传了，就 不采用其往返时延样本。 这样得出的平均往返时延 RTT 和重传时间就较准确。 计算机网络--刘桂江 80/87 7.2.8 TCP计时器(8/8) 修正的 Karn 算法 报文段每重传一次，就将重传时间增大一些： 新的重传时间 (旧的重传时间) 系数 的典型值是2 。 当不再发生报文段的重传时，才根据报文段的往返时延更 新平均往返时延 RTT 和重传时间的数值。 实践证明，这种策略较为合理。 计算机网络--刘桂江 81/87 7.2.9 UDP协议简介(1/6) UDP和TCP不同，它是一种无连接方式的、不可靠的传 输协议，也就是说不需要连接建立和连接释放过程， 没有流量控制、拥塞控制，UDP数据报在传输过程中 可能会丢失，可能会失序，可能会延迟等等。 它是一个非常简单的传输层协议。 UDP仅仅是在IP提供的服务基础上增添了多路复用和 分用的功能。 计算机网络--刘桂江 82/87 7.2.9 UDP协议简介(2/6) UDP的优点： UDP是无连接的，减少了开销和发送数据之前的时延。 UDP是尽最大努力交付，即不保证可靠交付，同时也不使 用拥塞控制，因此主机上不需要维持具有许多参数的、 复杂的连接状态表。 由于UDP没有拥塞控制，因此网络出现的拥塞也不会使源 主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的。 UDP是面向报文的。也就是说，UDP对应用程序交下来的 报文不再划分成若干个分组来发送，也不会把收到的若 干个报文合并后再交付给应用程序。 UDP用户数据报的首部只有8个字节，比TCP报文段的首部 至少是20个字节要短，大大减小了网络开销。 计算机网络--刘桂江 83/87 7.2.9 UDP协议简介(3/6) UDP用户数据报的首部和伪首部 字节 4 4 1 源 IP 地址 目的 IP 地址 0 字节 12 伪首部 2 源端口 UDP 用户数据报 2 目的端口 1 17 UDP长度 2 长 度 首 部 2 2 检验和 数 据 发送在前 首 部 数 据 IP 数据报 计算机网络--刘桂江 84/87 7.2.9 UDP协议简介(4/6) 用户数据报 UDP 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段有 8 个字节，由 4 个字段组成，每个字段都是两个字节。 4 4 1 1 2 字节 0 17 UDP长度 源 IP 地址 目的 IP 地址 字节 12 伪首部 2 源端口 UDP 用户数据报 2 目的端口 2 长 度 首 部 2 检验和 数 据 发送在前 首 部 数 据 IP 数据报 计算机网络--刘桂江 85/87 7.2.9 UDP协议简介(5/6) 在计算检验和时，临时把“伪首部”和 UDP 用户数据报连接在 一起。伪首部仅仅是为了计算检验和。 字节 4 4 1 源 IP 地址 目的 IP 地址 0 字节 12 伪首部 2 源端口 UDP 用户数据报 2 目的端口 1 17 UDP长度 2 长 度 首 部 2 2 检验和 数 据 发送在前 首 部 数 据 IP 数据报 计算机网络--刘桂江 86/87 计算 UDP 检验和的例子 12 字节 伪首部 8 字节 UDP 首部 7 字节 数据 10011001 00010011 00001000 01101000 153.19.8.104 10101011 00000011 171.3.14.11 00001110 00001011 全 0 17 15 00000000 00010001 1087 13 00000000 00001111 15 全0 数据 数据 数据 数据 00000100 00111111 00000000 00001101 数据 数据 数据 全 0 00000000 00001111 00000000 00000000 填充 01010100 01000101 01010011 01010100 01001001 01001110 01000111 00000000 → → → → → → → → → → → → → → 153.19 8.104 171.3 14.11 0 和 17 15 1087 13 15 0（检验和） 数据 数据 数据 数据和 0（填充） 按二进制反码运算求和 10010110 11101011 → 求和得出的结果 将得出的结果求反码 01101001 00010100 → 检验和 计算机网络--刘桂江 87/87